为何飞了这么久?着陆之后做什么?设计师揭秘天问一号

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2021-05-20 15:20

5月15日,中国首次火星探测任务天问一号探测器成功在火星乌托邦平原南部预选着陆区着陆,火星上首次留下了中国人的印迹。

早在2月10日,天问一号探测器就成功“刹车”被火星捕获,但随后3个月“迟迟”未落。为何飞了这么久?降落火星,为何专家们称这是“任务最核心、最难的地方”?着陆后,天问一号又会以什么方式探索火星?带着这些疑问,记者采访了中国航天科技集团五院总体设计部火星探测器总体主任设计师王闯、中国科学院国家天文台研究员郑永春等专家。

为何这么久才抵达?

一刻不闲,为落火做万全准备

被火星捕获后,天问一号探测器在3个多月里不仅对火星开展了多维度探测,还为着陆火星做好万全准备。

天问一号探测器是个“三件套”,包括环绕器、进入舱和“祝融号”火星车,后两者共同组成着陆巡视器。据航天科技集团八院509所环绕器总体副主任设计师杜洋介绍,为了给着陆巡视器落火“打前站”,环绕器对预选着陆区开展多维度探测,一方面探测地形地貌,选择地形平坦无障碍的地方,另一方面静候“天机”观天象,获取着陆区附近区域的气象状况。

火星表面每年都会形成几场大沙尘暴,历史上就有探测器因抵达火星时赶上沙尘暴,最终没能顺利展开工作。沙尘暴可能改变着陆巡视器下降过程的动力学参数,影响着陆过程的安全性,且沙尘粒子可能会附着在探测器表面,甚至钻入内部,造成仪器设备故障。

由于火星车采用太阳能帆板的形式供电,大量沙尘会覆盖在太阳能电池片的表面,降低发电效率甚至导致发电能力丧失。对火星车来说,失去能源供应无疑是致命的。因此,环绕器提前探测预选着陆区,了解沙尘暴等动向,从而避开恶劣天气。

天问一号的登陆地点是火星乌托邦平原南部,通过分析该区域此前的气象数据和火星探测器遥感数据,5月中下旬落火是较稳妥的选择。

除了做准备工作,天问一号还完成了一系列科学探测。2月24日,天问一号进入火星停泊轨道后,环绕器上的7台科学仪器就已全部开机开始工作,期间还进行了多次轨道调整。这意味着,它获取了火星不同轨道高度上的科学信息,而不同轨道高度处的探测数据相结合,可以帮助我们更全面地了解火星的空间环境信息,例如火星的磁场、电离层、太阳风与火星高层大气之间的相互作用等。

落火过程有多险?

由天问一号自主完成,经历“未知9分钟”

天问一号落火分三步:进入,减速和软着陆,简称“EDL”。5月15日凌晨1时许,天问一号探测器在停泊轨道实施降轨,机动至火星进入轨道;4时许,着陆巡视器与环绕器分离,历经约3小时飞行后,进入火星大气,经过约9分钟的减速、悬停避障和缓冲,成功软着陆于预选着陆区。

“这是整个任务中风险最高的一步,着陆过程无法由地面实时控制,只能靠天问一号自主完成。”王闯告诉记者,进入火星大气层以后,天问一号首先借助火星大气进行气动减速,克服超高速摩擦产生的高温、气动带来的姿态偏差等挑战,将约2万千米/小时的下降速度减掉了90%左右;紧接着,天问一号打开降落伞,进行伞系减速,当速度降至100米/秒时再通过反推发动机减速,由大气减速阶段进入动力减速阶段。距离火星表面100米时,天问一号进入悬停阶段,精准避障、缓速下降后,着陆巡视器在缓冲机构和气囊的保护下稳稳降落在火星表面。

难中之难是降落伞。“超音速降落伞是减速技术中难度最大的环节,天问一号在使用降落伞时要保证在超音速、低密度、低动压下打开,而这个过程存在开伞困难、开伞不稳定等问题。”王闯说,由于火星大气稀薄,研制人员设计了具备高效减速性能的探测器气动外形和防热结构,同时采用了更轻量化的防热材料。

虽然此前我国已有月面着陆经验,但这次天问一号火星软着陆任务更艰难。“地面站与探测器间通信是通过无线电波实现的,传播速度每秒约30万千米。月球到地球的平均距离是38万千米,所以月球探测器与地球通信时几乎感觉不到延时,但地球到火星之间的距离是变化的,最近时约5500万千米,最远时可达到4亿千米。”郑永春告诉记者,由于距离远,地面与火星探测器的通信面临最长接近20分钟的延时,科研人员无法随时控制探测器,考验前所未有。

“我国首次实施火星探测任务,没有火星环境特别是大气等参数的一手数据,相当于在一个完全未知的环境步步摸索,难度可想而知。”航天科技集团五院总体设计部火星巡视器总体主任设计师陈百超说。

在天问一号着陆巡视器落火前一天,英国《自然》杂志发表评论文章,称“祝融号”火星车着陆是对中国深空探测能力的最大考验。报道还援引意大利博洛尼亚射电天文研究所行星科学家罗伯特·奥罗塞的话:“这项任务对中国来说是一个巨大的飞跃,因为他们一次就完成了美国宇航局花了数十年才完成的任务。”

落火后做什么?

将依次开展对着陆点全局成像、自检、驶离着陆平台并进行巡视探测

到达火星不是目的,尽可能获得有效科学探测数据才是目标。接下来,火星车将依次开展对着陆点全局成像、自检、驶离着陆平台并进行巡视探测。

天问一号总共携带了13种科学仪器,能照相,会测物质、测环境、测地质、看气象,坐拥“百般武艺”。火星车和环绕器共同肩负科学探测使命,主要涉及火星空间环境、地表形貌特征、土壤表层结构等研究,将为中国带来火星研究的第一手资料。

火星车高1.85米,重量达240公斤左右,装有4个“蝴蝶翅膀”——太阳能电池板,6个轮子均是独立驱动,是辆不折不扣的“火星六驱越野车”。车上载有6种科学仪器,包括多光谱相机、次表层探测雷达、火星表面成分探测仪、火星表面磁场探测仪、火星气象测量仪、导航地形相机等,此外还有避障相机、监视相机等诸多工程仪器。

环绕器对火星车的意义不止“带一程”。着陆巡视器安全着陆后,环绕器会停留在通信中继轨道,转发各种信息数据回地球,同时也向火星车传达来自地球的指令。

环绕器本身也是一个超级科研能手,携带了7台科学仪器,分别是中分辨率相机、高分辨率相机、次表层探测雷达、火星矿物光谱探测仪、火星磁强计、火星离子与中性粒子分析仪、火星能量粒子分析仪,能在多轨道高度对火星进行整体性、全球性、综合性研究。

探测过程安排周密,把探测数据安全有效传回地球也要万无一失。考虑到火星距离遥远,我国在为探月工程而建的测控站之外,又新建了3台测控站。“这样可以4台联网天线组阵,测控能力更强,能够实现火星距地球最远4亿公里时的测控通信。”中国国家航天局探月与航天工程中心副主任刘彤杰说,这在测控技术上是很大的突破。

火星车的设计寿命为3个火星月,由于火星上的一天比地球略长(火星自转周期约为24小时37分钟),相当于约92个地球日。按照计划,约90个火星日后,火星车将结束巡视探测工作,环绕器也将调整轨道,进入近火点265公里、远火点12000公里的轨道,对火星表面开展至少1个火星年(约2个地球年)的近距离遥感探测。

天问一号实现了我国首次地外行星着陆,推动我国星际探测再上新台阶,无疑也是人类航天史上的一次壮举。美国宇航局助理局长托马斯·祖尔布琴在社交媒体发文:“‘祝融号’登陆火星,恭喜中国国家航天局天问一号团队!和全球科学界一起,我期待本次火星任务对人类了解这颗红色星球作出重要贡献。”

浩瀚宇宙,承载着国人千百年来的向往,也寄托着全人类的共同梦想。千呼万唤始出来,我国第一辆火星车大步迈向星际探测新征程。

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